嵌入式压电陶瓷驱动与控制系统研究

发布时间：2017-05-23 20:04

  本文关键词：嵌入式压电陶瓷驱动与控制系统研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】： 随着科学技术的发展,人们的研究已扩展到微观领域。在显微外科、超精密加工等领域急需达到纳米级定位精度。而在微操作器、微小型机器人等领域,操作对象的微小化也使整个系统急需更小的尺度支持。 作为纳米级定位领域的一种新型材料,压电陶瓷微位移器具有体积小、位移分辨率高、频响高、无噪声、不发热等特点,是一种理想的微位移元件。而采用电压驱动方法控制压电陶瓷,开环时存在迟滞、蠕变和位移非线性;采用电荷驱动方法,开环控制线性良好,但低频稳定性差。 针对压电陶瓷驱动存在的上述问题,本文结合国家自然基金项目“压电陶瓷微驱动器件极化模型与驱动方法的研究”(编号:60274053),以高压运算放大器为核心元件,通过分析电压、电流型驱动器原理及电路参数,提出了一种弥补其不足的复合型驱动方法。将电压与电流环合理的组合,构成复合型驱动器,其在原理上同时具备电压驱动器的低频稳定性及电流驱动器的动态精确性。通过电路分析,研制了电压、电流及复合控制型压电陶瓷驱动器。并通过优化电路参数,在其他性能指标不降的情况下提高了原电压及电流型驱动器的动态性能。 针对现有压电陶瓷控制系统体积大,功耗高,不便移动的特点,引入嵌入式设计方法,基于双核架构设计了嵌入式压电陶瓷控制器。并结合设计的驱动器建立了完整的压电陶瓷微定位控制系统,使用新型架构的嵌入式控制器依据传统计算机结构模块化设计,其在保证满足原有系统功能需求的前提下提供了小体积、低功耗、弱干扰等新特性,为基于压电陶瓷的设备小型化、便携化设计奠定了基础。 最后,结合压电陶瓷微动工作台,建立了纳米级定位实验系统。与原有的驱动控制系统进行了对比实验,并对新型压电陶瓷定位系统进行了性能测试,给出了所达到的技术指标。实验结果同时指明了驱动器中直接影响压电陶瓷微定位性能的关键电路参数。 本文研制的压电陶瓷嵌入式控制系统适用于静态稳定、动态高速定位等不同应用场合,为进一步研制小型化、集成化、通用化的压电陶瓷微定位系统提供了理论和实践经验。
【关键词】：纳米级定位 压电陶瓷 压电陶瓷驱动器 复合控制 嵌入式系统
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：TH703
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 绪论8-14
• 1.1 课题背景8
• 1.2 国内外研究现状及分析8-12
• 1.2.1 电压控制型驱动器8-9
• 1.2.2 电荷（流）控制型驱动器9-11
• 1.2.3 嵌入式控制器11-12
• 1.3 本文主要研究内容12-14
• 第2章 压电陶瓷驱动器研究14-27
• 2.1 引言14
• 2.2 压电陶瓷驱动器原理14-15
• 2.3 驱动器的结构设计15-24
• 2.3.1 电压型驱动器的设计15-18
• 2.3.2 电流型驱动器的设计18-21
• 2.3.3 复合型驱动器的设计21-24
• 2.4 高压运放的选择24-25
• 2.5 驱动器框图及实物25-26
• 2.6 本章小结26-27
• 第3章 压电陶瓷嵌入式控制器研究27-38
• 3.1 引言27
• 3.2 嵌入式方法简介27-29
• 3.2.1 嵌入式的概念及意义27
• 3.2.2 嵌入式设计的方法27-28
• 3.2.3 压电陶瓷控制器的功能28
• 3.2.4 驱动控制系统目标结构28-29
• 3.3 嵌入式控制器硬件设计29-33
• 3.3.1 控制器的结构设计29-30
• 3.3.2 双核间通讯方式设计30-31
• 3.3.3 控制器主要器件选择31-32
• 3.3.4 控制器与驱动器的连接32-33
• 3.4 嵌入式控制器软件设计33-37
• 3.4.1 基于ARM的嵌入式软件设计34-35
• 3.4.2 基于DSP的控制软件设计35-37
• 3.5 本章小结37-38
• 第4章 驱动控制系统实验研究38-57
• 4.1 引言38
• 4.2 实验系统38-39
• 4.3 实验及结果分析39-55
• 4.3.1 HPV系列压电陶瓷驱动器性能实验39-40
• 4.3.2 电压控制型驱动器性能实验40-48
• 4.3.2.1 阻性负载实验41-43
• 4.3.2.2 容性负载实验43-45
• 4.3.2.3 压电陶瓷工作台驱动实验45-48
• 4.3.3 电流控制型驱动器性能实验48-53
• 4.3.3.1 容性负载实验48-49
• 4.3.3.2 压电陶瓷工作台实验49-51
• 4.3.3.3 输出稳定性控制实验51-52
• 4.3.3.4 热分析52-53
• 4.3.4 复合控制型驱动器实验及仿真53-55
• 4.4 结论55-56
• 4.5 本章小结56-57
• 结论57-58
• 参考文献58-61
• 附录61-70
• 4.6 附录1 电压控制型驱动器原理图61-62
• 4.7 附录2 电流控制型驱动器原理图62-63
• 4.8 附录3 嵌入式控制器部分原理图63-69
• 4.9 附录4 嵌入式软件及控制程序代码69-70
• 攻读学位期间发表的学术论文70-71
• 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明71-72
• 致谢72

【引证文献】

中国硕士学位论文全文数据库 前3条

1 吴佳杰;基于压电驱动的多自由度微操纵平台及其测控技术的研究[D];浙江大学;2011年

2 彭辉海;压电音叉叉股频率特性测试系统研究[D];东华大学;2012年

3 周文;压电陶瓷控制系统的设计与研究[D];南京师范大学;2012年

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本文编号：388950